Расчетно-экспериментальное исследование напряженного состояния шатуна оппозитного компрессора для оценки вероятности безотказной работы

В процессе эксплуатации наблюдаются случаи появления усталостных трещин в поршневых головках шатунов оппозитных компрессоров. В целях оценки вероятности их безотказной работы проведено исследование нагруженности шатунов компрессоров, работающих в химическом производстве. Экспериментальные исследования напряжений, действующих в элементах конструкций больших размеров, вызывают большие затруднения, поэтому их напряженное состояние определяли расчетными методами. При нагружении шатуна имеется участок, где действует распределенная нагрузка, и участок с зазором между цилиндрическими поверхностями, где контактное давление отсутствует. Установлены силы, действующие на границе участков контакта и зазора пальца с расточкой шатуна: радиальная сила N, тангенциальная сила Q и изгибающий момент M. Силы N и Q рассмотрены как функции угла контакта α. Путем численного эксперимента определены напряжения в зоне от угла α, соответствующего окончанию зоны контакта, до угла перехода головки в стержень шатуна. При этом варьировались эксплуатационные нагрузки и зазоры в сопряжении шатун – палец. Экспериментально определены величины и характер изменения нагрузок, действующих на кривошипно-шатунный механизм компрессора в процессе его работы. Установлен характер распределения напряжений в сечениях шатуна, выявлены наиболее нагруженные сечения. Сопоставление данных натурного эксперимента и результатов численных исследований распределения напряжений показало их практическое совпадение. При этом численный эксперимент позволяет оценить одновременное влияние нагрузок и зазоров на рост напряжений, что практически невозможно осуществить путем экспериментальных исследований.

1. Гусев Б. М., Несвижский Ф. А., Петрова И. М., Филимонов М. А. Повышение надежности оппозитных компрессоров / Экспресс-информация. Отечественный производственный опыт. Серия азотная промышленность. 1986. № 4. С. 8 – 10.

2. Петрова И. М., Филимонов М. А. Вероятность отказа элементов механической системы в зависимости от зазоров / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 2. С. 25 – 29.

3. Гриб В. В., Петрова И. М., Романов А. Н. Оценка вероятности отказа механических систем моделированием технического состояния / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2016. № 5. С. 55 – 60.

4. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: МГТУ, 2018. — 543 с.

5. Гольбац-Кокин Э. М. Расчет поршневой головки шатуна с учетом ее жесткости и зазора посадки в ней пальца / Энергомашиностроение. 1969. № 8. С. 39 – 41.

6. Бояршинов С. В. Основы строительной механики машин. — М.: Машиностроение. 1973. — 456 с.

7. Петрова И. М., Филимонов М. А. Оценка надежности шатунов компрессора / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 2. С. 25 – 29.

8. Тензометры в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. Р. Л. Макарова — М.: Машиностроение, 1975. — 288 с.

9. Степнов М. Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. — М.: Машиностроение, 1972. — 232 с.

10. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. — М.: Мир, 1967. — 405 с.

11. Гриб В. В., Сафонов Б. П., Жуков Р. В. Динамика механизма движения поршневого компрессора с учетом зазоров в подвижных соединениях / Вестник машиностроения. 2002. № 4. С. 3 – 7.

12. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. — М.: Машиностроение, 1993. — 363 с.

13. МУ. Расчеты деталей машин на выносливость в вероятностном аспекте. Редакторы: А. П. Гусенков, И. М. Петрова, И. В. Гадолина. — М.: ИМАШ РАН — МЦНТИ, 1991. — 85 с.

14. Большев Л. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. — М.: Наука, 1965. — 464 с.